Thermomechanisches Schweißen (TMS)

Alle metallischen Materialien bestehen aus Kristallen (Körnern) in der Größe von einigen 1/100 mm. Legierungen mit kleineren Körnern haben üblicherweise eine höhere Festigkeit und Zähigkeit im Vergleich zu grobkörnigeren Werkstoffen. Daher führt die Kornfeinung in weiterer Folge zu einer Gewichtsreduktion von Komponenten, was mit wirtschaftlichen und ökologischen Vorteilen verbunden ist. Unter den verschiedenen Methoden der Kornfeinung sind thermomechanisch gesteuerte Prozesse (TMCP) die effizienteste Technik für die meisten technischen Legierungen. Beim thermomechanischen Walzen (TMCP) werden Metalle einer starken plastischen Verformung bei hohen Temperaturen ausgesetzt, die zu stark verformten Körnern mit hoher gespeicherter Energie führen, was die Keimbildung neuer Körner unterstützt (Rekristallisation). Die Körner neigen bei hohen Temperaturen in der Regel zur Vergröberung (Kornwachstum). Um das zu vermeiden wird das Wachstum von rekristallisierten Körnern durch eine beschleunigte Abkühlung nach der Umformung während eines TMCPs gestoppt. Metalle, die durch einen Schweißprozess gefügt werden, erfahren kurzzeitig und lokal sehr hohe Temperaturen, die zu Kornwachstum führen, wodurch die Verschlechterung der Festigkeit und Zähigkeit des geschweißten Materials vorgegeben ist. Die Kornfeinung an Schweißverbindungen ist daher ein maßgebliches Forschungsgebiet zur Weiterentwicklung der Schweißtechnik. Bisher wurden verschiedene Techniken, wie Lichtbogenpulsieren, elektromagnetisches- und Ultraschallschweißbadrühren untersucht. Die Wirksamkeit dieser Ansätze sind jedoch durch die Schweißbedingungen und die Legierungszusammensetzung eingeschränkt und sind ausschließlich auf das flüssige Schweißgut anwendbar. Neben dem Schweißgut (WM) tritt das Kornwachstum aber auch im angrenzenden Bereich, der Wärmeeinflusszone (HAZ), auf. In diesem Projekt wird das thermomechanische Schweißen (TMW) untersucht, das mit TMCP vergleichbar ist, und die Kornfeinung im WM und in der HAZ zum Ziel hat. Um die geeignete Zeit für die Verformung und die geeignete Abkühlgeschwindigkeit zu bestimmen, ist eine grundlegende Untersuchung der Thermodynamik, der Kinetik und der Mechanismen des Kornwachstums und der Rekristallisation erforderlich. Dementsprechend wird eine umfassende Modellierung durchgeführt, die FEM, analytische Simulation und zelluläre Automaten (CA) umfasst. Parallel dazu sind physikalische Simulationen mit dem thermomechanischen GLEEBLE-System und Validierungsexperimente mit der vom Antragsteller konstruierten TMW-Anlage vorgesehen. Innerhalb des vorgeschlagenen Projekts werden zwei Stähle untersucht, welche hochfeste, niedrig legierten Stahl (HSLA) und austenitischen, rostfreien Stahl repräsentieren. Zusätzlich zu den Ex-situ Verfahren der Metallographie wird ein neues In-situ Verfahren namens LUMet verwendet, um die Korngröße und die Kinetik der Rekristallisation zu messen (wissenschaftliche Kooperation mit der Universität von British Columbia). Die Innovation des Projekts liegt in einer neuen, kombinierten deterministischen und probabilistischen CA-Methode zur Simulation von Kornwachstum und Rekristallisation sowie der Untersuchung einer Methode zur Kornfeinung beim Schweißen. Eine Verbesserung des Schweißgefüges mittels TMW würde zu einer Verbesserung der Eigenschaften von Schweißverbindungen und deren zerstörungsfreien Prüfbarkeit führen.

Dieses Projekt zielte darauf ab, das Kornwachstum beim Schweißen durch eine gezielte mechanische Behandlung beim Abkühlen zu minimieren. Dabei wird das Konzept des thermomechanischen Walzens auf das Schweißen übertragen. Die Mechanismen der Gefügeverfeinerung wurden detailliert untersucht und die Parameter des TMW Prozesses optimiert. Die Untersuchungen wurden an einem austenitischen Stahl (AISI 304L) und einem hochfesten niedriglegierten Stahl (S700MC) mit verschiedenen Verformungsgraden durchgeführt. Schweißgeschwindigkeit und -strom wurden systematisch variiert, um den Einfluss des Wärmeeintrags zu quantifizieren. Die Schlagkraft und -frequenz wurde untersucht um Hammerform und -größe anzupassen, um den Einfluss auf die Gefügeentwicklung zu optimieren. Dazu sind unter anderem Kraftmessdosen, Hochgeschwindigkeitskameras und hochauflösende Methoden angewendet worden. Die ferromagnetischen Phasen in der Schweißnaht wurden quantifiziert und mit der Härtemessung wurde die Veränderung der mechanischen Eigenschaften nach dem TMW Prozess bestimmt. Eine TMW Schweißnaht weist zusätzlich zu Schweißgut und Wärmeeinflusszone noch eine verformte Zone auf. Um die Gefügeentwicklung im Schweißgut mit einem Modell zu untersuchen, wurden Druckversuche am Schweißgut bei verschiedenen Temperaturen und Anlassversuche des kaltverformten Ausgangsmaterial durchgeführt. Die Hauptergebnisse des Projekts beinhalten: a) Entwicklung einer adaptiven Wärmequellenfunktion für die analytische Beschreibung des Temperaturfeldes b) Beschreibung wie mechanisch und thermisch bedingte Schwingungen die Gefügeentwicklung beeinflussen c) Auswirkung der dynamischen Rekristallisation auf die Kornfeinung d) Modellierung der Kornvergröberung des vollständig rekristallisierten Austenits e) Gefügeumwandlung im Schweißgut - insbesondere die Rückumformung des verformungsinduzierten Martensits und die Auflösung bzw. Globularisierung von -Ferrit f) ein FE-Modell zur Simulation des thermomechanischen Schweißens inkl. experimenteller Validierung Die Ergebnisse mündeten in zwei Dissertationen (1 abgeschlossen), fünf Masterarbeiten (3 abgeschlossen), fünf begutachtete Journalveröffentlichungen und vier Konferenzbeiträge. Es haben auch drei internationale Gaststudierende zu dem Projekt beigetragen. In Summe hat dieses Projekt zu wertvollen Erkenntnissen beim thermomechanischen Schweißen geführt, indem Mechanismen besser verstanden und quantitativ beschrieben werden können. Es gibt aber nach wie vor offene Fragen wie z.B. Einfluss der optimierten Hammergeometrie und -parameter auf die Gefügeentwicklung. Die Rolle des -Ferrits bei der diskontinuierlichen dynamischen Rekristallisation (DDRX) von Austenit und seine Auswirkungen auf die Kornvergröberung ist ebenfalls noch nicht restlos geklärt. Die Modellierung der Gefügeentwicklung mithilfe der zellularen Automaten (CA) kann zur Klärung der offenen Punkte einen wertvollen Beitrag leisten.